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Principes de la conception de joints

Conception de joints courantes

Quel type de joint brasé devez-vous concevoir ? Les deux types de joints les plus courants sont le bout-à-bout et le recouvrement. Les autres types sont essentiellement des adaptations de ces deux types de base. Examinons tout d'abord l'assemblage bout à bout, tant pour les pièces plates que pour les pièces tubulaires. Comme vous pouvez le constater, le joint bout à bout offre l’avantage d’une épaisseur unique au niveau du joint. La préparation de ce type de joint est généralement simple et celui-ci aura une résistance à la traction suffisante pour de nombreuses applications. Cependant, la solidité du joint bout à bout possède ses limites. Elle dépend, en partie, de la superficie de la surface de liaison et dans un assemblage bout à bout, la surface de liaison ne peut pas être plus grande que la section transversale de l'élément le plus mince.

Comparons maintenant ceci avec le joint à recouvrement, à la fois pour les pièces plates et tubulaires. La première chose que vous remarquerez est que, pour une épaisseur de métaux de base donnée, la surface de liaison du joint à recouvrement peut être plus grande que celle du joint bout à bout et c’est souvent le cas. Avec des surfaces de liaison plus grandes, les joints à recouvrement peuvent généralement supporter des charges plus importantes.

Le joint à recouvrement vous donne une double épaisseur au niveau du joint, mais dans de nombreuses applications (raccords de plomberie, par exemple), la double épaisseur n'est pas répréhensible. De plus, le joint à recouvrement est généralement autoportant pendant le brasage. En général, il suffit de poser un élément plat sur l'autre pour maintenir un jeu de joint uniforme. Et, pour les joints tubulaires, l'emboîtement d'un tube à l'intérieur de l'autre permet de les maintenir dans l'alignement approprié pour le brasage. Supposons toutefois que vous souhaitiez un joint qui présente les avantages des deux types : une seule épaisseur au niveau du joint et une résistance maximale à la traction. Vous pouvez obtenir cette combinaison en concevant le joint comme un joint à recouvrement bout à bout. 

Il est vrai que la combinaison du bout-à-bout et du recouvrement demande habituellement un peu plus de travail qu’un simple bout-à-bout ou un simple recouvrement, mais ce travail supplémentaire en vaut la peine. Vous obtiendrez un joint d'une seule épaisseur et d'une résistance maximale. Et le joint est généralement autoportant lorsqu'il est assemblé pour le brasage.

Calcul de la bonne longueur de recouvrement

De toute évidence, il n'est pas nécessaire de calculer la surface de liaison d'un joint bout à bout. Ce sera la section transversale de l'élément le plus mince et c’est tout. Mais les joints à recouvrement sont souvent variables. Leur longueur peut être augmentée ou diminuée. Quelle doit être la longueur d'un joint à recouvrement ? En règle générale, le joint à recouvrement doit être conçu pour être trois fois plus long que l’épaisseur de la partie du joint la plus mince.

Un recouvrement plus long risque de gaspiller le métal d'apport de brasage et utiliser plus de métal de base qu'il n'est réellement nécessaire, sans pour autant augmenter la résistance du joint. Et un recouvrement plus court diminuera la résistance du joint. Pour la plupart des applications, la « règle de trois » est une valeur sure. Plus précisément, si vous connaissez la résistance à la traction approximative des éléments de base, la longueur de recouvrement requise pour une résistance optimale d'un joint brasé à l'argent est la suivante :
 

Note : ksi x 6,8948 = 1 MPa
Résistance à la traction de l'élément le plus faible

Longueur de recouvrement = facteur x W

(W = épaisseur de l'élément le plus faible)

35 000 psi - 241,3 MPa

2 x W

60 000 psi - 413,7 MPa 3 x W
100 000 psi - 689,5 MPa 5 x W
130 000 psi - 896,3 MPa 6 x W
175 000 psi - 1 206,6 MPa 8 x W

 

Si vous avez un grand nombre d'assemblages identiques à braser, ou si la résistance du joint est essentielle, il sera utile de calculer plus précisément la longueur du recouvrement afin d’obtenir une résistance maximale avec une utilisation minimale de matériaux de brasage. Les formules données ci-dessous vous aideront à calculer la longueur de recouvrement optimale pour les joints plats et tubulaires.

Déterminer la longueur du recouvrement pour les joints plats

X = Longueur du recouvrement
T = Résistance à la traction de l'élément le plus faible
W = Épaisseur de l'élément le plus faible
C = Facteur d'intégrité du joint de 0,8
L = Résistance au cisaillement du métal d'apport brasé

Problème :

De quelle longueur de recouvrement faut-il pour assembler une tôle de Monel recuite de 0,050" à un métal d'une résistance égale ou supérieure ?

Solution :

C = 0,8
T = 70 000 psi (tôle de Monel recuite)
W = 0,050"
L = 25 000 psi (résistance au cisaillement typique pour les métaux d'apport de brasage à l'argent)
X = (70 000 x 0,050) /(0,8 x 25 000) = 0,18" de longueur de recouvrement

Problème en métrique :

Quelle longueur de recouvrement faut-il pour assembler une tôle de Monel recuite de 1,27 mm à un métal d'une résistance égale ou supérieure ?
 

Solution :

C = 0,8
T = 482,63 MPa (tôle de Monel recuite)
W = 1,27 mm
L = 172,37 MPa (résistance au cisaillement typique pour les métaux d'apport de brasage à l'argent)
X = (482,63 x 1,27) /(0,8 x 172,37)
X = 4,5 mm (longueur du recouvrement)

Longueur de recouvrement pour les joints tubulaires

X = Longueur de la surface de recouvrement
W = Épaisseur de paroi de l'élément le plus faible
D = Diamètre de la surface de recouvrement
T = Résistance à la traction de l'élément le plus faible
C = Facteur d'intégrité du joint de 0,8
L = Résistance au cisaillement du métal d'apport brasé

Problème :

Quelle est la longueur de recouvrement nécessaire pour raccorder des tubes de cuivre de 3/4 po de diamètre extérieur (épaisseur de paroi de 0,064 po) à des tubes d'acier de 3/4 po de diamètre intérieur ?

Solution :

W = 0,064"
D = 0,750"
C= 0,8
T = 33 000 psi (cuivre recuit)
L = 25 000 psi (valeur typique)
X = (0,064 x (0,75 - 0,064) x 33 000) / (0,8 x 0,75 x 25 000)
X = 0,097" (longueur du recouvrement)

Problème en métrique :

Quelle longueur de recouvrement faut-il pour raccorder des tubes en cuivre de 19,05 mm de diamètre extérieur (épaisseur de paroi de 1,626 mm) à des tubes en acier de 19,05 mm de diamètre intérieur ?

Solution :

L = 1,626 mm
D = 19,05 mm
C = 0,8
T = 227,53 MPa (cuivre recuit)
L = 172,37 MPa (valeur typique)
X = (1,626 x (19,05 - 1,626) x 227,53)/(0,8 x 19,05 x 172,37)
X = 2,45 mm (longueur de recouvrement)

Concevoir pour répartir les contraintes

Lorsque vous concevez un joint brasé, le but évident est de fournir au moins une résistance minimale suffisante pour l'application donnée. Mais pour certains joints, la résistance mécanique maximale peut être votre principale préoccupation. Vous pouvez garantir ce degré de résistance en concevant le joint de manière à éviter que la concentration de contraintes ne l'affaiblisse. L’objectif : répartir les contraintes. Déterminez les endroits où les contraintes sont les plus importantes. Puis donnez de la souplesse à la partie la plus lourde à ce stade, ou ajoutez de la force aux parties les plus faibles. Les illustrations ci-dessous suggèrent un certain nombre de façons de répartir la contrainte dans un joint brasé.

Pour résumé : lorsque vous concevez un joint pour obtenir une résistance maximale, utilisez une conception par recouvrement (pour augmenter la surface de joint) plutôt qu'un bout-à-bout et concevez les pièces de manière à éviter la concentration des contraintes en un seul point. Une autre technique permet d’augmenter la résistance d'un joint brasé, souvent efficace pour le brasage d'assemblages de petites pièces. Vous pouvez créer un filet de répartition des contraintes, simplement en utilisant un peu plus de métal d'apport de brasage que d'habitude, ou en utilisant un alliage plus « lent ». Habituellement, vous n'avez pas besoin de filet pour vos joints brasés, car cela n'ajoute rien à la résistance du joint. Mais dans les cas où il contribue à répartir les contraintes du joint, il devient intéressant de le créer.

Concevoir en fonction des conditions de service

Pour de nombreux joints brasés, la principale exigence est la résistance. Et nous avons discuté des différentes manières d'obtenir un joint résistant. Mais d'autres exigences de service peuvent souvent influencer la conception du joint ou le choix du métal d'apport. Par exemple, vous pourriez avoir à concevoir un assemblage brasé qui doit être électriquement conducteur. Un métal d'apport de brasage à l'argent, de par sa teneur en argent, a peu de chances d’augmenter la résistance électrique à travers un joint correctement brasé. Mais vous pouvez également assurer une résistance minimale en utilisant un jeu de joint étroit, afin de garder la couche de métal d'apport aussi mince que possible. De plus, si la solidité n'est pas une considération primordiale, vous pouvez réduire la longueur du recouvrement. Au lieu de la « règle de trois » habituelle, vous pouvez réduire la longueur de recouvrement d’environ 1-1/2 fois la section transversale de l'élément le plus mince. 

Si l'assemblage brasé doit être étanche aux gaz ou aux liquides sous pression, un joint à recouvrement est presque indispensable, car il résiste à une pression plus élevée qu'un joint bout à bout. De plus, sa surface de liaison plus large réduit les risques de fuite. Lors de la conception d’un joint résistant aux fuites, il est également important de ventiler l’ensemble. Prévoir un conduit d’air pendant le processus de brasage permet à l'air ou aux gaz en expansion de s'échapper lorsque le métal d'apport en fusion s'écoule dans le joint. La ventilation de l’assemblage empêche également de piéger le flux dans le joint. En évitant que des gaz ou des flux se piègent dans le joint, vous réduisez le risque de fuites. Si possible, l’assemblage devrait s'auto-ventiler. Étant donné que le flux est conçu pour être repoussé par le métal d'apport en fusion qui pénètre dans le joint, il ne doit y avoir aucun angle vif ou trou borgne susceptible de piéger le flux. Le joint doit être conçu de manière à ce que le flux soit complètement repoussé hors du joint par le métal d'apport. Lorsque cela n'est pas possible, de petits trous peuvent être percés dans les angles morts pour permettre au flux de s'échapper. Le joint est terminé lorsque du métal d'apport fondu apparaît à la surface extérieure de ces trous percés.

Pour maximiser la résistance à la corrosion d'un joint, choisissez un métal d'apport de brasage contenant des éléments tels que l'argent, l'or ou le palladium, qui sont par nature résistants à la corrosion. Conservez des jeux de joints serrés et utilisez une quantité minimale de métal d'apport, afin que le joint fini n'expose qu'une fine ligne de métal d'apport de brasage à l'atmosphère. Ce ne sont là que quelques exemples d'exigences de service qui peuvent être exigées de votre assemblage brasé. Comme vous pouvez le constater, la conception du joint et le choix du métal d'apport doivent être pris en compte. 

Heureusement, de nombreux métaux d'apport et flux sont à votre disposition, disponibles dans une large gamme de compositions, de propriétés et de températures de fusion. Lucas Milhaupt est disponible pour répondre à vos questions au sujet de vos applications de brasage, de la conception de vos joints et/ou de la sélection de votre métal d'apport. Consultez notre Bibliothèque de ressources ou notre FAQ pour plus d'informations. 
 

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